低EMI、D類音頻放大器及其應(yīng)用

PDA、MP3播放器、蜂窩電話等便攜式音頻裝置的設(shè)計通常受電源噪聲、空間有限、與數(shù)字電路共用電源/接地等諸多因素的影響，最終用戶在要求提高音頻性能的同時還要求延長電池的工作壽命，這些需求往往相互沖突，延長電池的工作時間需要隨時關(guān)斷那些不工作的電路，這將產(chǎn)生一些明顯的音頻干擾。因此便攜式產(chǎn)品音頻電路的設(shè)計需滿足尺寸小、性能高、噪聲低、能夠與ASIC、處理器和DC-DC轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作等要求。開關(guān)型音頻放大器(D類)具有較高的效率，但是，由于D類放大器實際上是把音頻信號變成了非線性脈沖，所產(chǎn)生的失真是顯而易見的，需要輸出濾波器從放大器輸出恢復(fù)音頻信號，同時，濾波器也增加了成本，增大了放大器的尺寸。Maxim新推出的D類音頻功率放大器(MAX9700/MAX9712)對開關(guān)模式放大技術(shù)作了一些重要改進(jìn)，利用獨特的調(diào)制結(jié)構(gòu)省去了輸出濾波器，可為便攜式產(chǎn)品提供一種更小、更便宜、效率更高的方案。

低EMI調(diào)制結(jié)構(gòu)
MAX9700/MAX9712利用獨特的調(diào)制結(jié)構(gòu)以D類效率提供AB類放大器的性能，占用很小電路板空間。MAX9712可為8W負(fù)載提供500mW的功率，MAX9700能夠為8W負(fù)載提供高達(dá)1.2W的功率。放大器內(nèi)部有兩路比較器對其輸入進(jìn)行監(jiān)視，并將互補輸入電壓與鋸齒波進(jìn)行比較。當(dāng)鋸齒波輸入幅度超出相應(yīng)的比較器輸入電壓時，比較器輸出翻轉(zhuǎn)。當(dāng)輸入電壓增大或減小時，第一個跳變的比較器輸出脈沖的持續(xù)時間增加，而另一個比較器跳變后輸出脈沖的持續(xù)時間為tON。對于一定的輸入信號電平，比較器輸出是一個脈寬調(diào)制的方波信號，周期由鋸齒波振蕩器的頻率決定，PWM信號控制H橋驅(qū)動器，打開或者關(guān)閉狀態(tài)相反的一對MOSFET，使得揚聲器兩端的凈電壓(VOUT+ - VOUT-)隨輸入信號發(fā)生變化，有效采集音頻輸入。放大器的動態(tài)范圍由噪聲幅度和鋸齒波信號幅度決定。
工作模式
MAX9700/MAX9712具有兩種工作模式：固定頻率調(diào)制(FFM)模式和擴(kuò)頻調(diào)制(SSM)模式。FFM模式下可通過SYNC引腳選擇頻率，SYNC=GND時開關(guān)頻率為1.1MHz、SYNC = FLOAT時開關(guān)頻率為1.45MHz。另外，在SYNC引腳上施加800kHz~2MHz的外部TTL時鐘，可以使放大器與系統(tǒng)時鐘同步(提供完全同步的系統(tǒng))或?qū)㈤_關(guān)諧波的頻譜成分分配到不敏感的頻段。SYNC = VDD時放大器工作在SSM模式，在SSM模式下，開關(guān)頻率在中心頻率(1.22MHz)附近隨機變化?20kHz。調(diào)制方案不變，但鋸齒波的頻率隨周期改變，此時能量分散到隨頻率增長的整個頻寬上，而不是將大量頻譜能量集中在開關(guān)頻率的倍頻處。在高于幾MHz的頻帶上，EMI等效于寬帶頻譜的白噪聲，與傳統(tǒng)方案相比，擴(kuò)頻模式使輻射指標(biāo)改善5dB。
無濾波調(diào)制
MAX9700/MAX9712采用特有的調(diào)制方案，可以省去傳統(tǒng)D類放大器所需的LC濾波器，既提高了效率、減少了元件數(shù)，又節(jié)省了電路板空間和系統(tǒng)成本。當(dāng)MAX9700/MAX9712輸入端沒有信號時，輸出開關(guān)波形如圖1所示。由于放大器采用差分方式驅(qū)動揚聲器，兩路輸出互相抵消，于是揚聲器兩端空閑模式下的凈電壓為0，降低了功耗。另外，因為MAX9712的輸出頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了大多數(shù)揚聲器的帶寬，由開關(guān)頻率引起的音頻線圈的偏移非常小，利用揚聲器線圈自身的電感和揚聲器與人耳的天然濾波作用即可從方波輸出中恢復(fù)音頻成分。為獲得最佳效果，也可以用一個大于10mH的電感與揚聲器串聯(lián)。

效率問題
D類放大器的效率由輸出級晶體管的工作時間決定。在D類放大器中，輸出晶體管如同一個電流調(diào)整開關(guān)，所消耗的額外功率可以忽略不計，任何與D類輸出級有關(guān)的功率損耗主要是由MOSFET導(dǎo)通電阻與消耗靜態(tài)電流產(chǎn)生的I